Mesembria tracică (sec. VI–I î.Hr.)
Așezarea a fost întemeiată în jurul anului 510 î.Hr. de coloniști dorieni veniți din Megara, pe locul unei așezări tracice, iar către 494 î.Hr. li s-au alăturat coloniști din Calcedon și Bizanț. Numele tracic inițial era Melsambria — după conducătorul tracic Melsa și sufixul „-bria” (oraș, în limba tracică) — ulterior elenizat în Mesembria. Din această perioadă datează zidurile cetății și descoperirile de teracotă păstrate la Muzeul Arheologic.
Perioada romană (sec. I î.Hr. – sec. IV d.Hr.)
După includerea în Imperiul Roman, Mesembria a devenit un port animat — bătea monedă proprie și își extindea comerțul. Din perioada romană s-au păstrat băi și secțiuni de zid.
Bizanț & Bulgaria medievală (sec. V–XIV)
Orașul a fost inclus succesiv în Imperiul Bizantin și în Primul și Al Doilea Țarat Bulgar — schimbându-și stăpânii de mai multe ori. În toamna anului 812, după un asediu de două săptămâni, hanul Krum a cucerit Mesembria, printre prada capturată aflându-se și un vas cu „foc grecesc”. Cneazul Boris I a returnat orașul Bizanțului în 864, iar mai târziu țarul Simeon cel Mare l-a recucerit. Din această epocă datează majoritatea bisericilor: Sf. Sofia (Vechea Mitropolie), Hristos Pantocrator, Sf. Ioan Aliturghetos și altele.
Epoca otomană și Renașterea (1453–1878)
Sub stăpânire otomană, Nessebar a păstrat statutul de oraș mitropolitan creștin. În secolele XVIII–XIX s-au construit casele din epoca Renașterii cu balcoane din lemn; multe funcționează astăzi ca muzee, hoteluri și restaurante.
Eliberarea și UNESCO (1878 — astăzi)
După Eliberarea din 1878, Nessebar a devenit oraș pescăresc bulgar. În 1956 orașul vechi a fost declarat rezervație arhitecturală și arheologică, iar în 1983 a fost inclus în patrimoniul UNESCO. Astăzi este una dintre cele mai vizitate destinații de pe litoralul bulgăresc.